В мире квантовой механики элементарные частицы могут находиться в нескольких состояниях одновременно, мгновенно перемещаться в пространстве и влиять друг на друга быстрее скорости света. Однако в привычном нам макромире эта «странность» исчезает, хотя всё вокруг состоит из тех же квантовых кирпичиков. Мэтт О'Дауд, ведущий канала PBS Space Time, разбирается, почему наш мир остается классическим и может ли гравитация быть той силой, которая заставляет реальность «выбирать» одно состояние из множества.
🐱 Квантовая странность и загадка кота Шрёдингера 0:00
В квантовой механике частицы не обладают строго определенными свойствами; вместо этого они описываются волновой функцией. По словам Мэтта О'Дауда, фактически частица и есть её волновая функция — «размытое» распределение возможных характеристик, которые становятся четкими только при определенных обстоятельствах.
Когда ученые проводят измерения, широкий диапазон значений, заданный волновой функцией, резко сужается до одного конкретного результата. Этот процесс физики называют «коллапсом волновой функции». Самый известный пример, иллюстрирующий странность этого процесса — мысленный эксперимент Эрвина Шрёдингера с котом.
Суть эксперимента:
- Кот помещается в закрытый ящик с радиоактивным атомом и емкостью с ядом.
- Если атом распадается (шанс 50/50), яд высвобождается, и кот погибает.
- Пока ящик закрыт, с точки зрения квантовой физики атом находится в состоянии суперпозиции — он одновременно и распался, и нет.
- Следовательно, кот также должен находиться в суперпозиции жизни и смерти.
Однако, как отмечает ведущий, в реальности кот, скорее всего, либо жив, либо мертв еще до открытия ящика. Где-то на пути от атома к коту квантовая «размытость» исчезает. Вопрос о том, где именно пролегает граница между квантовым и классическим миром, остается одним из самых сложных в науке.
🧠 Кто или что «схлопывает» реальность? 2:26
Идею коллапса волновой функции первым предложил Вернер Гейзенберг, один из отцов квантовой теории. Вместе с Нильсом Бором он сформулировал Копенгагенскую интерпретацию, где коллапс является центральным элементом. Однако ни один из них не мог точно объяснить, как и почему это происходит.
Существует несколько полярных мнений о природе этого процесса:
- Роль сознания: Физики Джон фон Нейман и Юджин Вигнер полагали, что коллапс происходит в момент субъективного осознания наблюдателем. То есть, по их мнению, именно сознание заставляет реальность обретать форму.
- Отрицание коллапса: Сторонники многомировой интерпретации Хью Эверетта считают коллапс фикцией. По их мнению, волновая функция никогда не схлопывается, а реальность просто постоянно разветвляется на параллельные вселенные.
- Скрытые параметры: Теория волны-пилота де Бройля — Бома предполагает, что частицы всегда имеют определенные свойства, которые просто «спрятаны» внутри волновой функции.
Мэтт О'Дауд предлагает рассмотреть альтернативный подход — теории объективного коллапса.
🎲 Теория GRW: спонтанные «удары» по реальности 4:10
В 1986 году итальянские физики Джанкарло Гирарди, Альберто Римини и Туллио Вебер опубликовали работу, в которой изложили основы теории GRW (названной по их фамилиям). Это первая из теорий объективного коллапса, в которых волновая функция рассматривается как реальный физический объект, а не просто математический инструмент.
Ключевые особенности теории GRW:
- Модификация уравнения Шрёдингера: Авторы добавили в стандартное линейное уравнение нелинейный член, описывающий коллапс.
- Механизм «ударов»: Процесс коллапса представляется как редкое случайное событие — «удар», который локализует волновую функцию в конкретной точке.
- Зависимость от масштаба: Для одной частицы такой удар случается крайне редко — примерно раз в 100 миллионов лет. Но если соединить огромное количество частиц (как в макрообъектах), вероятность коллапса хотя бы одной из них становится колоссальной.
- Цепная реакция: Поскольку частицы в объекте связаны, коллапс одной частицы мгновенно вызывает коллапс всей системы.
«Для объекта макроскопического масштаба (число Авогадро) коллапс происходит примерно каждые 10 наносекунд», — поясняет ведущий.
🌌 Гравитация как «убийца» квантовости 8:13
Дальнейшее развитие идеи объективного коллапса привело к созданию модели непрерывной спонтанной локализации (CSL), где на материю воздействует некое постоянно флуктуирующее поле, напоминающее броуновское движение.
Однако физики Лайош Диоши и Роджер Пенроуз предложили более элегантное решение: источником коллапса является сама гравитация. По мнению Пенроуза, квантовая механика и общая теория относительности (ОТО) принципиально несовместимы в вопросе суперпозиции.
Согласно аргументации Пенроуза:
- Массивный объект искривляет пространство-время вокруг себя.
- Если такой объект находится в суперпозиции в двух местах, это создает суперпозицию двух разных геометрий пространства-времени.
- Такая нестабильность заставляет систему быстро и случайно «выбирать» одно из положений.
Ведущий подчеркивает: в этой модели не гравитация квантуется, а квантовая механика «гравитизируется».
🔬 Экспериментальная проверка в недрах гор 10:23
В отличие от многих других интерпретаций, теории объективного коллапса дают уникальные предсказания, которые можно проверить экспериментально.
Один из способов проверки основан на побочном эффекте: если квантовую частицу постоянно «трясет» некое поле коллапса или гравитация, то электрически заряженная частица должна излучать крошечное количество радиации.
В прошлом году группа ученых из Триеста (Италия) провела уникальный эксперимент:
- Объект: Кристалл германия размером 8x8 см.
- Место: Подземная лаборатория Гран-Сассо, скрытая под толщей скал для защиты от космических лучей.
- Результат: За два месяца наблюдений было зафиксировано всего 576 фотонов.
Этого количества недостаточно для окончательного подтверждения теории, но ученым удалось наложить жесткие ограничения на параметры модели Диоши — Пенроуза. По словам Мэтта О'Дауда, оригинальная версия модели Пенроуза была фактически опровергнута этим экспериментом, но другие варианты всё еще остаются в силе.
🕳️ Ответы на вопросы зрителей: черные дыры и гравитационные волны 14:38
В конце выпуска Мэтт О'Дауд ответил на вопросы подписчиков, касающиеся гравитации и космологии:
- О гравитационных линзах для волн: Гравитационные волны, как и свет, движутся по ткани пространства-времени и могут отклоняться гравитационными полями черных дыр. Если длина гравитационной волны мала по сравнению с горизонтом событий, черная дыра может её полностью поглотить.
- О создании черной дыры из волн: Теоретически возможно создать черную дыру (кугельблиц), сфокусировав в одной точке огромное количество энергии гравитационных волн.
- О замедлении времени: Для внешнего наблюдателя материя кажется «застывшей» у горизонта событий из-за бесконечного замедления времени. Однако, по словам О'Дауда, с точки зрения самой падающей материи, она пересекает горизонт и сжимается очень быстро.
- О потере информации: Парадокс заключается в том, что излучение Хокинга (по крайней мере в его классической формулировке) является абсолютно случайным и не несет информации о том, что упало в черную дыру. Если черная дыра испарится, информация может исчезнуть навсегда.
